自從用上了智能手機(jī)，很多人都或多或少患上了“電量焦慮癥”。特別是當(dāng)手機(jī)CPU的算力越來(lái)越強(qiáng)、屏幕越來(lái)越大、功能越來(lái)越多時(shí)，看著電量百分比嘩嘩往下掉，心里的那片陰影總是揮之不去。

解決這種“焦慮癥”最根本的辦法是電池技術(shù)的創(chuàng)新，不過(guò)鑒于鋰離子電池技術(shù)（和智能手機(jī)其他技術(shù)相比）“龜行”般的演進(jìn)速度，人們只能是一聲嘆息。于是幾年前大家將治療“焦慮癥”的思路轉(zhuǎn)了一個(gè)方向——開(kāi)始從加快充電速度的角度做文章。于是“快充”成為了一個(gè)熱點(diǎn)，高通的Quick Charge、聯(lián)發(fā)科的Pump Express、OPPO的VOOC、華為的SCP、USB-IF的USB PD……各種快充技術(shù)紛紛登場(chǎng)，“充電n分鐘，通話n小時(shí)”之類的廣告語(yǔ)也變得耳熟能詳。

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快充江湖，USB PD何以勝出？

盡管不同的快充技術(shù)各具特點(diǎn)，但從大的技術(shù)策略上看，其實(shí)都有異曲同工之妙，大家主要的技術(shù)著力點(diǎn)無(wú)非是以下幾條：

提升充電的電壓和電流，增加單位時(shí)間內(nèi)的功率供給。

在充電和受電設(shè)備之間建立通信協(xié)議，根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)節(jié)充電電壓電流，讓效率最大化。

將可調(diào)充電電壓電流的階躍間隔縮小，進(jìn)一步提升效率。

經(jīng)過(guò)數(shù)年的鏖戰(zhàn)，目前快充技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)格局也基本明朗——USB PD已經(jīng)確立了穩(wěn)固的優(yōu)勢(shì)地位，一統(tǒng)充電江湖指日可待。USB PD的勝出，究其原因有兩個(gè)方面。

從技術(shù)上講，雖然USB PD和其他快充技術(shù)相比，在進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)間上不占先，但其將后發(fā)優(yōu)勢(shì)發(fā)揮得淋漓盡致，可謂是“人無(wú)我有，人有我優(yōu)”：

輸出功率方面，USB PD可提供最大100W功率輸出（20V/5A），不僅可以滿足智能手機(jī)等便攜設(shè)備所需，也可以滿足更大功率的消費(fèi)電子產(chǎn)品的需求。

USB PD定義了特有的供、受電端動(dòng)態(tài)協(xié)商機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)的按需供電；在USB PD 3.0的PPS（Programmable Power Supply）規(guī)范中，將VBUS線上的電壓和電流調(diào)整階躍精細(xì)到20mV和50mA，進(jìn)一步減少能量損耗，提升充電效率。

USB PD還支持角色切換功能，一個(gè)設(shè)備可根據(jù)需要提供供電或受電的功能。

從非技術(shù)的角度來(lái)講，憑借USB PD背后強(qiáng)大的USB生態(tài)系統(tǒng)的支持，其在競(jìng)爭(zhēng)中可用的籌碼更多。比如在PPS規(guī)范中，USB-IF就規(guī)定了“不允許USB接口通過(guò)非USB PD的協(xié)議來(lái)進(jìn)行電壓和電流調(diào)整”，這明顯有利于USB PD在市場(chǎng)中優(yōu)勢(shì)地位的確立。

正是由于技術(shù)和非技術(shù)兩方面的合力，不論是主動(dòng)迎合還是被動(dòng)接受，快充市場(chǎng)的玩家紛紛向USB PD靠攏。谷歌在Android 7.0 OEM規(guī)范中提出“使用USB接口的手機(jī)，其快充技術(shù)必須支持USB PD”；高通從Quick Charge 4.0開(kāi)始，已經(jīng)兼容USB PD協(xié)議；蘋(píng)果雖未明確表態(tài)，但有分析稱從iPhone 8/8 Plus起，也開(kāi)始支持USB PD了……

可見(jiàn)，在治愈快充“焦慮癥”這件事上，USB PD已經(jīng)成為一副公認(rèn)的“良方”。

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快充IC，何謂“良藥”？

既然有了藥方，接下來(lái)關(guān)鍵的一步就是如何炮制良藥了——也就是如何開(kāi)發(fā)出符合USB PD標(biāo)準(zhǔn)、適應(yīng)市場(chǎng)所需的芯片方案。

在USB PD快充IC的研發(fā)上，近年來(lái)各個(gè)廠商推出了不少新品，也盡可能將自己在電源管理領(lǐng)域積累的功力充分發(fā)揮出來(lái)。歸納起來(lái)，眾廠商芯片研發(fā)的發(fā)力焦點(diǎn)主要在以下幾個(gè)方面：

更佳的性能，更高的效率；

提供與USB控制器的接口，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)可編程，讓USB PD自適應(yīng)按需供電的特性充分發(fā)揮出來(lái)；

更高的集成度，簡(jiǎn)化系統(tǒng)，優(yōu)化BOM；

滿足安全和可靠性要求。

在諸多USB PD快充IC中，有一款產(chǎn)品很值得圈點(diǎn)，這就是來(lái)自Qorvo公司的ACT4751。

圖1：Qorvo公司USB PD快充IC ACT4751（圖源：Qorvo）

從芯片架構(gòu)上看，ACT4751分為四個(gè)部分：

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主穩(wěn)壓器

一個(gè)4A同步整流降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，支持動(dòng)態(tài)的電壓電流調(diào)整。

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“迷你”穩(wěn)壓器

一個(gè)提供5V/350mA輸出、始終開(kāi)啟的降壓DC-DC轉(zhuǎn)化器。

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輔助LDO

一個(gè)輸出電壓可編程的20mA低壓差線性穩(wěn)壓器。

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控制邏輯

包括狀態(tài)機(jī)邏輯和I2C接口控制器。

主穩(wěn)壓器是決定充電器性能的關(guān)鍵部分，ACT4751的主穩(wěn)壓器通道支持4.5至40V輸入范圍，可以提供最高80W的輸出功率，由于采用了同步整流架構(gòu)，同時(shí)在內(nèi)部集成了兩個(gè)50mΩ的MOSFET，因此具有不俗的效率表現(xiàn)。

與主穩(wěn)壓器“打配合”的是控制邏輯模塊。ACT4751可通過(guò)I2C接口與USB控制器連接，基于專有控制算法，通過(guò)編程可在3V到24V間以12.5mV步長(zhǎng)對(duì)輸出電壓在進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，電流方面可以在0~4A之間以256個(gè)步長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)整。該器件可在450kHz至2.25MHz頻率范圍內(nèi)進(jìn)行固定頻率電流模式控制，支持外部時(shí)鐘同步和100％占空比操作。

圖2：ACT4751具有不俗的效率特性（圖源：Qorvo）

在主穩(wěn)壓器之外，ACT4751通過(guò)“迷你”穩(wěn)壓器和LDO提供兩路輔助電源，可以分別為USB控制器和USB-C中的1.5 W VCONN有源電纜供電。因此只需一個(gè)器件，ACT4751就能提供多個(gè)電源軌，更高的集成度讓系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)也變得更簡(jiǎn)單。

此外，ACT4751還集成了自我保護(hù)功能，包括熱關(guān)斷、欠壓和過(guò)壓保護(hù)以及具有打嗝/閉鎖模式的過(guò)流保護(hù)，確保應(yīng)用的可靠性和安全。

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認(rèn)證方案，手到“病”除！

為了讓開(kāi)發(fā)者切實(shí)體會(huì)到ACT4751的“療效”，Qorvo在推出芯片產(chǎn)品的同時(shí)，還特別提供了經(jīng)過(guò)行業(yè)認(rèn)證的參考設(shè)計(jì)方案。

比如下面這個(gè)采用四顆ACT4751，配合Cypress的USB控制器CCG3PA設(shè)計(jì)的四端口USB充電集線器參考設(shè)計(jì)，在一塊電路板上同時(shí)支持兩個(gè)80W USB-C PD通道和兩個(gè)7.5W USB-A通道，功率總計(jì)達(dá)到175W。該電源充電器方案通過(guò)了USB-IF的USB-PD 3.0認(rèn)證，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行開(kāi)發(fā)可大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程。

圖3：基于四個(gè)ACT4751的四端口USB充電集線器參考設(shè)計(jì)（圖源：Qorvo）

圖４：基于四個(gè)ACT4751的四端口USB充電集線器參考設(shè)計(jì)框圖（圖源：Qorvo）

在這個(gè)四通道的USB PD充電集線器參考設(shè)計(jì)架構(gòu)基礎(chǔ)上，Qorvo還將其簡(jiǎn)化為一個(gè)單通道的80W USB PD充電器方案，這當(dāng)然是游刃有余了。

圖5：基于ACT4751的80W USB PD PPS充電器參考設(shè)計(jì)（圖源：Qorvo）

圖6：基于ACT4751的80W USB PD PPS充電器參考設(shè)計(jì)框圖（圖源：Qorvo）

值得一提的是，在ACT4751標(biāo)準(zhǔn)器件基礎(chǔ)上，Qorvo還瞄準(zhǔn)日益增長(zhǎng)的車(chē)載快充市場(chǎng)，推出了符合車(chē)規(guī)的ACT4751M。ACT4751M的工作電壓高達(dá)40V，具有在苛刻的汽車(chē)環(huán)境中承受高達(dá)48V負(fù)載突降事件的保護(hù)功能。該器件通過(guò)了AEC-Q100車(chē)規(guī)認(rèn)證，并符合汽車(chē)EMI標(biāo)準(zhǔn)CISPR 25 Class 3，為“上車(chē)”鋪平了道路。

ACT4751M還有一個(gè)特性，就是支持高通的Quick Charge快充標(biāo)準(zhǔn)。Qorvo也基于ACT4751M開(kāi)發(fā)出了包含四個(gè)通道（兩個(gè)80W Quick Charge 4+通道和兩個(gè)40W Quick Charge 3.0通道），總功率達(dá)280W的快充集線器參考設(shè)計(jì)方案。該方案同樣通過(guò)了Quick Charge的認(rèn)證，并在轉(zhuǎn)化效率和外形尺寸上經(jīng)過(guò)了全面的優(yōu)化，為加速開(kāi)發(fā)者商用產(chǎn)品的上市提供了便利。

圖７：基于ACT4751M的四通道Quick Charge充電集線器參考設(shè)計(jì)框圖（圖源：Qorvo）

毋庸置疑，USB PD的快充時(shí)代已經(jīng)來(lái)了，像ACT4751這樣的快速充電IC“良藥”，對(duì)解決快充“焦慮癥”大有裨益，也給智能手機(jī)和其他充電電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了更大的、可以“任性而為”的空間。這對(duì)于開(kāi)發(fā)者和最終用戶，都是一個(gè)福音。